Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
Chương 4
BỘ THU QUANG
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.1. Giới thiệu
Bộ thu quang: Chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện
mang thông tin.
 Gồm một photodiode và một hay nhiều tầng KĐ + mạch tái tạo tín hiệu
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.2. Các loại photodiode
Hai loại photodiode thông dụng:
 PIN photodiode: độ nhạy thu thấp, mạch đơn giản, dễ sử dụng
 APD photodiode ( Avalanche Photodiode): độ nhạy thu cao, băng
thông lớn, cần điện áp định thiên lớn.
APD photodiode (Hamamatsu Corp.)
PIN photodiode
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.2.1 PIN-photodiode
• Giữa hai lớp bán dẫn có độ pha tạp cao p+ và n- là một vùng bán dẫn có độ
pha tạp thấ, còn gọi là lớp tự dẫn (lớp i)
Lớp chống
phản xạ
Tiếp xúc

kim loại
hình tròn
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
• Nguyên lý hoạt động:
• Khi phân cực ngược tiếp giáp p-n:
không có dòng điện chạy qua !
• Khi chiếu một photon có năng lượng
hν > Eg => kích thích một điện tử nhảy
từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, tạo thành
điện tử tự do.
4.2.1 PIN-photodiode (tiếp)
•
Bước sóng cắt
)(
24,1
eVE
g
c
=
λ
• Năng lượng dải cấm Eg phụ thuộc vào
vật liệu chế tạo photodiode, do vậy mỗi
loại vật liệu có bước sóng cắt khác
nhau:
• PIN chế tạo bằng Si có λc = 1.06 µm
• PIN chế tạo bằng Ge có λc = 1.6 µm
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009

Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
• Ưu điểm của PIN-photodiode:
–
Điện áp cung cấp nhỏ (5v - 10v)
– Tạp âm thấp
– Mạch điều khiển đơn giản
• Nhược điểm của PIN-photodiode:
– Độ nhạy thu thấp ( khoảng -30 dBm, do 1 photon tới chỉ sinh ra 1 điện tử)
– Băng thông nhỏ ( < 3GHz)
=> Nghiên cứu chế tạo APD để khắc phục nhược điểm trên !
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.2.2. Photodiode thác lũ (APD: Avalanche Photodiode)
Tiếp xúc
Nhân
thác lũ
(Lớp p
pha tạp
thấp)
Hấp thụ
Lớp
gương
¾ Thêm một lớp bán dẫn p vào giữa lớp π
và n+ => tạora một điệntrường lớn
trên tiếpgiápp-n+:
 Gia tốc các điện tử
 Điện tử va chạm với các nguyên tử
sinh ra điện tử tự do mới =>
ion hóa do va chạm

 Gây ra hiệu ứng thác lũ
¾ Khuyếch đại dòng photon trong lên
M lần do ion hóa va chạm i
APD
= M.i
PD
¾ Điện áp định thiên nằm dưới điện áp
trung bình của diode -> APD hoạt động
như PIN-photodiode
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
• Ưu điểm của APD:
9
Độ nhậy cao (tới -40 dBm)
9 Băng thông lớn (tích M.B = 20-250 GHz với InGaAs-APD)
• Nhược điểm của APD:
o Điện áp hoạt động cao ( 30v với Ge-APD, 150v với Si-APD)
o Quá trình khuyếch đại phụ thuộc vào nhiệt độ
-> cần điều khiển nhiệt độ để giữ hệ số khuyếch đại là hằng số
Điều khiển
nhiệt độ
Đến khuyếch
đại trước
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.3. Các thông số cơ bản
4.3.1 Hiệu suất lượng tử = số lượng cặp điện tử -lỗ trống sinh ra / số
lượng photon tới.

o
ph
q
P
h
q
I
υ
η
•=
1=
q
η
¾ Mỗi photon tạo ra một cặp điện tử -lỗ trống
• Thông thường, hiệu suất lượng tử có thể đạt từ 30 – 95 %.
• Ví dụ: Trong một tín hiệu quang (xung 100 ns) có 6 triệu photon ởλ= 1300 nm
tới một photodiode InGaAs và có 5,4 triệu cặp điện tử -lỗ trống sinh ra. Hiệu suất
lượng tửη= 90 %.
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
• Hiệu suất lượng tử có đặc tính phụ thuộc bước sóng, phụ thuộc vào
vật liệu bán dẫn và cấu trúc của photodiode
• Với Si, hiệu suất lượng tử gần như bằng 1
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.3. Các thông số cơ bản (tiếp)
4.3.2 Đáp ứng quang R (Responsivity)
•

Đáp ứng quang R = dòng điện sinh ra trên một đơn vị công suất quang tới (A/W).
• R phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và bước sóng.
• Ví dụ:
o R = 0.65 A/W với vật liệu Si ởλ= 900 nm.
o R = 0.45 A/W với vật liệu Ge ởλ= 1300 nm.
o R = 0.9 A/W với vật liệu InGaAs ởλ= 1300 nm.
o R = 1 A/W với vật liệu InGaAs ởλ= 1550 nm.
• Bài tập: Công suất quang thu được trên photodiode InGaAs ởλ= 1300 nm là Po=
10 µW (R = 0.9 A/W). Hãy tính dòng quang điện sinh ra bởi photodiode ?
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4. Độ nhạy thu (Sensibility)
4.4.1. Khái niệm:
• Độ nhạy thu là công suất quang tối thiểu mà photodiode có thể tách tín
hiệu ra khỏi nhiễu.
• Giới hạn của độ nhạy của bộ thu quang được xác định thông qua:
¾ Hiệu suất lượng tử
¾ Phần nhiễu
• Trong những photodiode ngày nay, hiệu suất lượng tử gần giá trị lý
tưởng
• Ở những bộ thu quang dải rộng, có những nguồn nhiễu khác nhau:
¾ nhi
ễu nhiệt
¾ nhiễu Schottky
¾ nhiễu nhân dòng (chỉ có ở APD)
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.2. Bộ thu quang và tạp âm

Receiver = detector + subsequent electronics
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
Tổng quan về những nguồn nhiễu
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3. Cơ bản vật lý về nhiễu
• Chúng ta quan tâm đến nhiễu do dao động ngẫu nhiên hơn là
nhiễu là đặc điểm của hệ thống đồng trục
• Có 3 loại nhiễu chính do dao động ngẫu nhiên trong tuyến
truyền dẫn quang:
¾ nhiễu nhiệt
¾ nhiễu dòng tối
¾ nhiễu lượng tử
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3.1. Nhiễu nhiệt
• Do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của điện tích
• Dao động ngẫu nhiên do tương tác nhiệt giữa:
¾ Điện tử tự do và ion dao động trong môi trường dẫn
• Dòng nhiễu nhiệt i
t
và trở kháng R được mô tả bằng giá trị
trung bình bình phương của nó:
R
kTB
i

t
4
2
=
k: hằng số Boltzmann = 1,38. 10
-23
Ws/K
T: nhiệt độ tuyệt đối
B=∆f: dải thông sau tách sóng của hệ thống
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
• Công suất nhiễu nhiệt P
t
tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối T
fTkP
t
∆
⋅
⋅
=
Nguồn nhiễu
nhiệt R
Nguồn điện
áp thay thế
Nguồn dòng
điện thay thế
Mạch thay thế khi
nhiễu được mô tả
qua điện áp

Mạch thay thế khi
nhiễu được mô tả
qua dòng điện
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3.2. Nhiễu dòng tối
• Không có công suất quang vào bộ tách sóng, vẫn có một dòng rò
nhỏ chảy từ thiết bị đầu cuối
• Nhiễu dòng tối = nhiễu schottky trên dòng photon
BeIi
dd
⋅= 2
2
• Nhiễu dòng tối có thể giảm bằng cách thiết kế và chế tạo bộ tách
sóng một cách cẩn thận
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3.3. Nhiễu lượng tử
• Ánh sáng có bản chất lượng tử
• Năng lượng của lượng tử ánh sáng hoặc photon:
TKh
hW
⋅>⋅
=
ν
ν
¾ dao động lượng tử chiếm ưu thế so với dao động nhiệt
Tách sóng ánh sáng bằng photodiode là một quá trình rời rạc vì việc

tạo ra cặp điện tử-lỗ trống bắt nguồn từ việc hấp thụ một photon, và
tín hiệu thoát ra từ bộ tách sóng được mô tả bởi sự thống kê của
photon tới. Vì vậy, sự thống kê cho bức xạ kết hợp đơn sắc tớ
i bộ
tách sóng tuân theo phân bố xác suất rời rạc độc lập với số lượng
photon đã được tách sóng trước đó
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3.4. Nhiễu Schottky
• Việc tạo ra cặp điện tử lỗ trống thông qua việc hấp thụ photon là một
quá trình thống kê
¾ Dòng photon tự bản thân nó tạo ra dao động trong dòng photo:
nhiễu schottky
• Nhiễu schottky có thể được mô tả như một nguồn điện với trung bình
bình phương của dòng nhiễu i
sh
2
hoặc phổ công suất S(f)
()
fSeIi
df
d
phsh
== 2
2
• Mỗi dòng điện thông qua một chuyển tiếp pn gây ra nhiễu schottky
(nhiễu dòng tối)
Mạch thay thế nhiễu của photodiode Phổ công suất
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications

8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.3.5. Nhiễu trong photodiode thác lũ
• Bản chất thống kê của quá trình khuyếch đại tạo ra nhiễu nhân
• Dòng tín hiệu I
ph
và dòng tối I
db
sẽ được khuyếch đại trong vùng
nhân với hệ số khuyếch đại (hệ số nhân) M
• Phổ công suất:
()
()
22
2 MIIei
df
d
fS
dbphsh
+⋅==
• Nhiễu nhân được biểu diễn qua hệ số nhiễu cộng thêm F(M):
()
(
)
()
MFMIIei
df
d
fS
dbphsh

⋅+⋅==
22
2
• F(M): đại lượng biểu diễn chất lượng của quá trình khuyếch đại
• F(M) = 1 : quá trình thác lũ lý tưởng
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.4. Công suất nhiễu tương đương
• Để có thể nhận dạng được tín hiệu, tín hiệu phải không được nhỏ
hơn nhiễu
¾ tín hiệu nhỏ nhất mà cường độ bức xạ của nó có thể đo lường
được định nghĩa thông qua tín hiệu đầu vào tương đương tạp âm
• Tín hiệu vào tương đương tạp âm là tín hiệu vào mà tạo ra cùng
mức đầu ra như tạp âm không có tín hiệu vào,
được gọi là công suất
tạp âm tương đương (NEP: noise equivalent power) là một đại lượng
đo lường độ nhạy của bộ tách sóng
• Quan hệ với độ nhạy dòng S(λ) và dòng nhiễu I
n
ta có:
(
)
λ
SINEP
n
=
• Dòng nhiễu tổng cộng I
n
= nhiễu schottky của diode I

sh
+ dòng nhiễu
nhiệt I
th
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.4.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và giới hạn hiệu suất lượng tử
• Trong kỹ thuật tương tự, chất lượng của bộ thu được mô tả thông qua
tỷ số tín hiệu trên nhiễu:
NEP
P
N
S
NoisepowerrSignalpoweNS
in
log10⋅=⇒
=
• Trong kỹ thuật số, chất lượng của bộ thu được mô tả thông qua tỷ số
lỗi bit BER
• Giới hạn lượng tử: Năng lượng quang nhỏ nhất P, mà một tỷ số lỗi bit
đã cho sẵn trong hệ thống số cần thiết để mô tả một bit 1
¾ tỷ số lỗi bit =
¾ giới hạn vật lý 21 photon / bit
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
⋅⋅
−
Bh
P
q
e
ν
η
Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
4.5.5.1. Tạp âm lượng tử trong truyền dẫn tương tự
• Trong tuyến truyền dẫn quang tương tự, tạp âm lượng tử là tạp âm
Schottky
• Dòng tạp âm schottky i
s
2
trên dòng photon I
p
:
ps
eBIi 2
2
=
• Không quan tâm đến những nguồn tạp âm khác thì SNR tại bộ
thu:
eBiN
S

p
s
p
2
2
==
• Dòng photon I
p
:
II
2
ν
η
h
eP
I
p
0
=
• Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR:
Bh
P
N
S
⋅⋅
=
ν
η
2
0

Hanoi University of Technology Faculty of Electronics and Telecommunications
8/2009
Chương 4Chương 4. Bộ thu quang trong thông tin quang
Ví dụ:
• Một tuyến sợi quang tương tự
• Giả sử:
 Hoạt động tại bước sóng 1000nm
 Dải thông sau tách sóng 5MHz
 Bộ tách sóng lý tưởng
 Chỉ quan tâm đến tạp âm lượng tử trên tín hiệu
 SNR tại bộ thu là 50dB
• Tính: công suất quang tới cần thiết
Vì bộ tách sóng lý tưởng nên η=1, ta có P
0
=-37dBm